[发明专利]水轮机发电装置

说明书

技术领域

本发明属于水力发电技术领域，涉及水轮机发电装置。

技术背景

我们知道，水位越高，其底下产生的压力就越大，可由压力P＝9.8*密度*水位差，计算出来。由其压力推动水流驱动水轮机转动作功，我们就说水轮机利用静压能作功。

重力的大小与物体的运动速度、加速度无关。如果水的质量是m千克，其单位面积上压力就是P＝9.8*m牛顿。当它是从H米高、速度为0开始以自由落体方式坠落，我们可用H＝1/2*g*t²来计算出时间t，利用V＝g*t计算出它的落点速度，利用E＝mv²/2就能计算其所蕴含的动能。当m千克水到达落点，由速度V减速到速度0的时间是1秒，其单位面积上产生的作用力F＝m*V，这时推动水流驱动水轮机转动作功的合压力是∑P＝9.8*m+m*V。水m千克从4.9米高度自由坠落所产生的单位面积压力就相当于其静态所产生的单位面积压力9.8*m牛顿，现实水轮发电水头大多高于4.9米，如水是从引水管50米高，0速度以接近自由落体过程下落，其动能将是静压能的10倍，说明其蕴含动能可以大于静压能是客观事实，自然界还蕴藏着巨大的水动能未被利用。如水轮作功的受力面积S、力臂L、转速n确定，利用功率N＝M*n/9550＝∑P*S*L*n/9550，我们就能计算它所蕴含功率。

现有技术的水轮机发电装置，种类多，且水轮机都使用了叶片或水斗。使用叶片或水斗，除了复杂的加工过程外，还需要精细的焊接过程。

以下是摘自世界最大水轮机——三峡70万千瓦水轮机的相关资料：

三峡水电站由于自然条件和以防洪为主的需要，三峡水电站大坝高程185米，蓄水高程175米，水库长2335米，初期水头61-94米，后期水头为71-113米，每年汛前水库水位降到145米高程，防洪库容221.5亿立方米，水头变幅很大，额定水头80.6米，给水轮机设计增加了难度。三峡水电站安装有32套70万千瓦发电机组。三峡上游水库的水经大坝引水口钢制闸门进入引水管，以每秒1020立方米的流量倾泻而下，再流入蜗壳做圆周旋转运动，形成雷霆万钧般的强大冲击力，经导水机构调节，将水流均匀、轴对称地送入水轮机转轮，推动转轮叶片旋转。三峡左岸Alstom供货的水轮机转轮直径10.427米、高5.08米、喉口直径9.8米，净重450吨，由上冠、下环、15块叶片、上下止漏环和泄水锥焊接而成，是目前世界最大的水电铸钢焊接件。上冠不锈钢铸件重达112吨，下环重达58吨，轮机叶片最大尺寸为4537×4951×2300毫米，净重17.49吨，VOD精炼钢水，探伤要求为CCH70-3，其尺寸、重量、技术含量、制造难度都堪称当今世界同类产品之最，每片造价高达200万元，仅数控机床加工费就达30万元以上，切削下来的铁屑重达数吨。转轮叶片为防止变形，需要十几个工人同时焊接，焊接耗时3个多月，用去焊条十几吨。蜗壳是引水机构的关键部件，外型如同蜗牛壳，进口最大直径12.4米，从进口开始断面逐渐缩小，截面半径从最6.2米到2.1米不等，尺寸及重量均为国内之最。左岸机组蜗壳现场安装的二类以上焊缝总长度超过12.6公里，耗用焊条超过185吨。导水机构位于蜗壳内部，通过活动导叶调节水轮机进水流量从而控制水轮机工况的部件。三峡水轮机导水机构由底环、顶盖、24片导叶、控制环及导叶操作机构等大小千余个零件组成，总重近千吨。

额定水头80.6米，它所产生的静压力接近0.8MPa，引水管的水以每秒1020立方米的流量倾泻而下，每小时其中所蕴含可发电的动能就相当于高达几千万千瓦，而它仅发出了70万千瓦的电量，这是因为它使用了当今还代表世界一流技术利用静压能发电的固定叶混流式水轮机的原故。固定叶混流式水轮机，结构简单，具有较高的强度，运行可靠，流量大，效率高，应用水头范围广，最适宜建造兆瓦级的水电站，但是存在上述要焊接转轮叶片，要用到涡壳与导水机构，工程工艺复杂，利用水的静压能远大于水的动能等缺点。如何高效利用这个大自然赐我们永不枯竭的清洁能源，在能源紧缺、环境污染、气候变暖，提倡节能环保的今天，开发利用水动能技术就显得非常重要和有意义。

专利号201410415779.3一种提高涡轮发动机效率的方法及其装置提出了：

用螺管转子代替涡轮转子，将涡轮发动机制造成水力螺管转子发动机，使流动工质在螺管转子螺管内的流动方向发生连续的改变，转换流动工质所具有的能量为机械功输出动力。

减少流动工质与作功过程无关的能量损失。

能通过减少螺管转子的螺管条数和或螺管管径应付因装机功率减少而引起工质流量减少的，就不减少螺管转子直径。